聚酰亞胺(Polyimide,PI)是分子主鏈中含有酰亞胺基團(-CO-NHCO-)的芳雜環(huán)高分子化合物,被譽為“解決問題的能手”。PI是目前能夠實際應用的最耐高溫的高分子材料,同時在低溫下也能保持較好性能,長期在-269℃到280℃范圍內不變形。此外PI材料在加工性能、機械性能、絕緣性能、阻燃性能,耐化學腐蝕性、耐輻射性能等諸多方面均有良好的表現(xiàn),可廣泛應用于航天、機械、醫(yī)藥、電子等高科技領域。
聚酰亞胺的優(yōu)良性能及特點
性能 | 特點 |
熱穩(wěn)定性 | 諸如全芳香聚酰亞胺開始分解溫度一般都在500℃左右,由聯(lián)苯二酐和對苯二胺合成的聚酰亞胺,熱分解溫度達到600℃左右,是迄今為止聚合物中熱穩(wěn)定性最高的品種之一 |
耐低溫性 | 在4K(-269℃)的液態(tài)氦中仍不會脆裂 |
加工性能 | 聚酰亞胺適用于大多數(shù)聚合物的方法進行加工,既使用于利用溶液進行流延成膜、懸涂和絲網(wǎng)印刷,也可以用熔融加工的方法進行熱壓、擠塑、注射成型,甚至也可以得到熔體黏度很低的預聚物進行傳遞模塑(RTM) |
機械性能 | 抗張強度:未填充的抗張強度都在100MPa以上,均苯型聚酰亞胺薄膜為250MPa,而聯(lián)苯型聚酰亞胺薄膜(Upilex)達到530MPa;彈性模量:作為工程塑料,彈性模量通常為3-4GPa。據(jù)理論計算,由均苯二酐和對苯二胺合成的聚酰亞胺纖維彈性模量可達500GPa,僅次于碳纖維 |
耐化學腐蝕性 | 對稀酸較為穩(wěn)定,但一般品種不大耐水解,可利用堿性水解回收原料二酐和二胺 |
熱膨脹系數(shù) | 聚酰亞胺熱膨脹系數(shù)在2×10-5到5×10-5k-1,聯(lián)苯型聚酰亞胺可達10-6k-1,與金屬在同一個水平上,個別品種甚至可以達到10-7k-1 |
耐輻照性 | 聚酰亞胺薄膜在吸收劑量達5x107Gy時,強度仍可保留86% |
介電性能 | 普通聚酰亞胺的相對介電常數(shù)為3.4左右,引入氟、大的側基或將空氣以納米尺寸分散在聚酰亞胺中,相對介電常數(shù)可降到2.5左右,介電損耗10-3,介電強度為100-300kV/mm,在寬廣的溫度和頻率范圍內仍能保持極好的絕緣性能 |
其他性能 | 溶解度譜寬、低發(fā)煙率、真空下低放氣率、無毒 |
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一、聚酰亞胺膜行業(yè)市場規(guī)模
按照化學組成和加工特性,聚酰亞胺具有不同的分類。聚酰亞胺按化學組成,可分為芳香族和脂肪族兩類;按加工特性,可分為熱塑性和熱固性兩類。熱塑性聚酰亞胺主要包括均苯酐型、聯(lián)苯酐型以及氟酐型,而熱固性聚酰亞胺主要包括雙馬來酰亞胺樹脂以及PMR酰亞胺樹脂。
聚酰亞胺不同分類
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聚酰亞胺的應用形態(tài)廣泛,主要有薄膜、涂料、復合材料、纖維、泡沫塑料、工程塑料等,其中薄膜是電子級應用的主要形態(tài)。PI薄膜是聚酰亞胺最早進入商業(yè)流通領域且用量最大的一種,主要產品有杜邦的Kapton、宇部興產的Upilex系列和鐘淵的Apical。此后,隨著市場需求的不斷細化以及技術水平的提高,不同特殊單體制備的PI薄膜以及改性PI薄膜逐漸成為了電子級應用的主要材料形態(tài)。
傳統(tǒng)的PI薄膜顏色多為黃色,最早應用于電機的槽絕緣及電纜繞包材料,多為電工級產品。隨著航空、軌道交通以及電子信息等諸多技術領域日新月異的發(fā)展,市場和產品的不斷細分以及新興研究領域的開拓,電工級PI膜已經不能完全滿足市場的多元化需求,通過特殊單體制備的不同功能PI薄膜和改性的傳統(tǒng)PI薄膜可以滿足新型的電子級應用需求。
電子級PI膜特性及下游應用
類型 | 特性 | 下游應用 |
黑色PI薄膜 | 良好的遮光性、導熱性、導電性、防靜電性 | 智能手機、平板電腦等電子產品用的導熱石墨膜 |
PI柔性基板膜 | 高耐熱性、高溫尺寸穩(wěn)定性、強柔韌性、阻水阻氧性、表面平坦性 | OLED手機的基板材料 |
透明PI薄膜 | 光學性能好、介電常數(shù)低、熱穩(wěn)定性好以及力學性能優(yōu)異 | OLED手機的觸控膜、蓋板材料 |
低熱膨脹系數(shù)PI薄膜 | 高強度、高尺寸穩(wěn)定性以及良好的可加工工藝性 | FCCL(撓性覆銅板) |
超薄PI薄膜 | 超薄 | FPC覆蓋膜 |
改性PI薄膜 | 低介電常數(shù) | 5G手機天線材料 |
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PI薄膜市場空間廣闊。預計隨著下游電子行業(yè)的進步,到2022年全球PI薄膜材料的市場規(guī)模將達到24.5億美元。
全球PI膜材料市場規(guī)模(億美元)
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二、聚酰亞胺膜行業(yè)下游應用
1.FPC是PI膜最大的應用領域,驅動PI膜向上
PI薄膜可制成撓性覆銅板(FCCL)基材和覆蓋膜,實現(xiàn)FPC的可撓性。FPC由撓性覆銅板(FCCL)和PI覆蓋膜組成。工藝流程為先在PI薄膜上涂上膠粘劑,再配置銅箔,形成FCCL,再描出目標線路,在酸性條件下,溶解除去銅和光刻樹脂,最后在FCCL上部用壓機復貼上帶膠粘劑的PI薄膜(覆蓋膜)。因此,生產FPC不僅需要PI薄膜作為FCCL基材的原材料,還需要用于加工FPC的覆蓋膜。
智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國PI膜行業(yè)市場運營狀況及發(fā)展規(guī)模預測報告》數(shù)據(jù)顯示:2018年全球FPC產值規(guī)模達約128億美元,隨著電子產品小型化需求的不斷增加,預計2022年全球FPC產值規(guī)模有望達到149億美元左右,將拉動對原材料PI薄膜的需求。
全球FPC產值波動上升
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2.OLED行業(yè)方興未艾,支撐PI膜材料需求
全球AMOLED的市場份額也在逐步提高。預測2020全球平板顯示器市場規(guī)模可達1151億美元,其中AMOLED約327億美元,占比28%;全球AMOLED合計產能預計將會達到3350萬平方米,其中W-OLED(白光OLED)產能為880萬平方米,RGB-OLED產能為2470萬平方米。
全球平板顯示器市場規(guī)模(億美元)
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AMOLED產能及預測(百萬平方米)
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2019年全球OLED智能手機面板出貨量4.65億片,同比增長7.89%,其中三星以3.97億片的出貨量占據(jù)了全球85.4%的市場份額,京東方和和輝光電分別擁有3.60%和3.40%的市場份額。2020年全球OLED智能手機面板出貨量將達到7億片,市場需求迎來整體上升期。
全球OLED智能手機面板出貨量(百萬片)
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OLED在智能手機端的產能有望超過LCD。OLED在小尺寸屏幕,特別是智能手機端的應用已經逐漸普及,三星、華為、蘋果等手機生產商紛紛采用OLED屏幕制造技術。2018年全球智能手機端的OLED產能占比為47.0%,隨著OLED技術的不斷成熟及成本不斷的下降,智能手機端OLED的產能有望在2020年達到53.0%,超過LCD,成為移動端的主流顯示技術。
智能手機端OLED產能占比有望在2020年超過LCD
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PI膜是實現(xiàn)智能手機OLED柔性顯示的關鍵。傳統(tǒng)OLED屏幕以玻璃作為封裝、顯示材料。傳統(tǒng)OLED封裝中,一般采用玻璃基板和玻璃蓋板,由于玻璃難以彎曲,傳統(tǒng)OLED顯示屏無法實現(xiàn)折疊和卷曲的功能。傳統(tǒng)OLED器件的封裝方法是通過玻璃蓋子把器件密封到氮氣或氬氣的環(huán)境中,蓋子與基底之間通過UV處理過的環(huán)氧樹脂固化來密封,另外通過加入氧化鈣或氧化鋇來吸收從外界滲透進的水汽,以此提高器件壽命,但封裝方法導致傳統(tǒng)的剛性OLED屏幕較厚。
PI材料實現(xiàn)了OLED屏幕的曲面與可折疊功能。隨著2007年三星在全世界首次成功實現(xiàn)了OLED屏幕的批量生產,并將剛性OLED技術應用至智能手機之上,OLED技術在移動便攜設備上經歷了快速的發(fā)展。如果要實現(xiàn)柔性的OLED顯示,基板和蓋板均需要更換為柔性材料。柔性OLED具備普通OLED的寬視角、高亮度等優(yōu)點,同時由于襯底是具有良好柔韌性的材料,因此比傳統(tǒng)玻璃襯底的OLED顯示屏更輕薄、更耐沖擊。可見,從剛性OLED屏到曲面屏,再到如今的可折疊柔性OLED屏,PI膜材料逐漸成為了OLED手機TFT基底和蓋板的應用材料。
PI材料在不同類型OLED屏幕中的應用
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柔性基板需求增速快,帶動PI漿料市場規(guī)模提升。柔性基底OLED在2019年的產能約為1148萬平方米,占比62.0%,超過了剛性基底OLED。隨著智能手機的不斷進化,預計2023年柔顯基底OLED面板年產能將增長至1969萬平方米左右,預計相比2019年增長71.5%。2019年全球PI基板材料的市場規(guī)模約為3981萬美元,預計2020年有望達到5500萬美元。
全球PI膜基板材料市場規(guī)模
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3.聚酰亞胺膜在散熱上存在增長機會
導熱石墨膜是5G時代解決電子器件散熱的優(yōu)良材料。隨著5G時代的來臨,智能手機、個人電腦、平板電腦等電子器件為了實現(xiàn)其高性能、即時通訊等功能而高度集成化,內部材料表面產生的熱量急劇增加。為了防止影響電子元件的壽命和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,電子器件需借助導熱材料將多余熱量排除,常用導熱材料有金屬材料、人造石墨膜等。傳統(tǒng)金屬導熱材料由于密度較大、熱導率較低、熱膨脹系數(shù)高、無法進一步減薄彎曲、耐化學性差等缺點,無法滿足嚴苛的散熱需求。而人造石墨膜因高導熱系數(shù)以及較低密度的特點,成為了5G時代電子器件散熱的優(yōu)良材料。
PI膜是制造導熱石墨膜的關鍵材料。石墨導熱膜的生產工藝是將PI薄膜與石墨紙切割成規(guī)定尺寸,層層疊放至確定高度,在每層PI薄膜中夾入石墨紙,再將交叉后的石墨紙與PI薄膜放入1000℃的碳化爐中進行1-6小時的碳化,接著在2800℃-3000℃的氮氣或是氬氣環(huán)境中進行石墨化,最后進行延壓、貼合、模切、復卷等步驟,最終產出成品。
導熱石墨膜生產工藝
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三、PI膜行業(yè)產能分布
高端電子級PI膜市場被海外公司壟斷。由于研發(fā)層次及難度很高,目前高端PI薄膜全球市場份額主要被國外少數(shù)企業(yè)所壟斷。國內企業(yè)開始發(fā)力高端產品。從2017年開始,PI薄膜廣闊的市場前景及國內產業(yè)現(xiàn)狀引起眾多企業(yè)及資本的關注,國內多家企業(yè)開始引進國外先進的生產設備,布局化學亞胺法高性能PI薄膜。未來幾年,隨著國內新建PI薄膜生產線量產,國內PI薄膜產能及技術水平與國際PI薄膜巨頭差距有望進一步減小。
國內各PI薄膜及原材料企業(yè)產品概況及產能
公司名稱 | 公司地點 | 產品名稱 | 產能(噸/年) | 亞胺化方式 | 制造技術 |
達邁科技 | 臺灣新竹 | 電子級PI膜、CPI膜、黑色PI膜 | 2800 | 化學亞胺法 | / |
時代新材 | 湖南株洲 | 電子級TN型PI膜 | 500 | 化學亞胺法 | 流延 |
丹邦科技 | 廣東深圳 | 微電子級PI膜 | 300 | 化學亞胺法 | 流延 |
鼎龍股份 | 湖北武漢 | 柔性基板顯示PI漿料 | 300 | / | / |
中天科技 | 江蘇南通 | 高性能PI薄膜 | 300 | 化學亞胺法 | / |
國風塑業(yè) | 安徽合肥 | 電子級PI膜 | 180 | / | / |
深圳瑞華泰薄膜科技 | 廣東深圳 | PI膜 | 1500 | 熱亞胺法 | 流延、雙拉 |
桂林電器科學研究院 | 廣西桂林 | PI膜 | 1280 | 熱亞胺法 | 雙拉 |
溧陽華晶科技 | 江蘇溧陽 | PI膜 | 230 | 熱亞胺法 | 雙拉 |
江陰天華科技 | 江蘇江陰 | PI膜 | 500 | 熱亞胺法 | 雙拉 |
江蘇亞寶絕緣材料 | 江蘇寶應 | PI膜 | 300 | 熱亞胺法 | 流延、雙拉 |
山東萬達集團 | 山東東營 | PI膜 | 240 | 熱亞胺法 | 雙拉 |
今山電子材料 | 浙江寧波 | 黑色PI膜、防靜電PI膜、高導熱PI膜、超高導熱石墨膜等 | >200 | / | / |
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2019年國內各PI薄膜企業(yè)新建產能情況
公司名稱 | 項目名稱 | 產能(噸/年) | 開始建設時間 | 進展 |
蘇州聚翠材料科技 | 黃色PI和透明PI | / | 2019年2月 | / |
江蘇中天 | 高性能聚酰亞胺(微電子PI及MPI) | 600 | 2019年2月 | 試產中 |
株洲時代華晟 | 化學法高性能PI膜 | / | 2019年3月 | 2020年6月投產 |
惠生泰州新材 | 電子級PI膜 | 1000萬平方米等量 | 2019年3月 | / |
株洲時代 | 化學法高性能PI膜 | 2000 | 2019年4月 | / |
山東海諾 | 電子信息絕緣PI膜 | / | 2019年5月 | / |
深圳瑞華泰薄膜科技 | 高分子新材料 | / | 2019年5月 | 2025年投產 |
湖南國柔 | PI薄膜 | 1000 | 2019年6月 | / |
江西科昂電子 | 高性能PI薄膜 | 3500 | 2019年6月 | / |
浙江中科玖源 | 柔性顯示PI漿料/CPI膜 | 4500 | 2019年8月 | 2020年下半年投產 |
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